經(jīng)過10年的仔細分析和審查，美國能源部費米國家加速器實驗室對撞機探測器(CDF)合作項目的科學(xué)家7日宣布，他們實現(xiàn)了迄今為止對W玻色子質(zhì)量的最精確測量，W玻色子是自然界的載力粒子之一。利用費米實驗室CDF收集的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)以0.01%的精度確定了粒子的質(zhì)量，這是以前最佳測量值的兩倍。
費米實驗室的對撞機探測器記錄了1985年至2011年TEVATRON對撞機產(chǎn)生的高能粒子碰撞。來自23個國家54個機構(gòu)的約400名科學(xué)家仍在研究該實驗收集的大量數(shù)據(jù)。
發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的新精確測量值，將使科學(xué)家能夠測試粒子物理學(xué)的標準模型，這是從最基本層面描述自然的理論框架。測量結(jié)果是，新的質(zhì)量值顯示了科學(xué)家在標準模型的背景下使用實驗和理論輸入獲得的值之間的差異。
如果確認，此測量結(jié)果表明可能需要改進標準模型計算或擴展模型。新測量值與之前的許多W玻色子質(zhì)量測量值一致，但也存在一些差異，未來的測量將需要更多地闡明結(jié)果。
費米實驗室副主任喬·萊肯說：“雖然這是一個有趣的結(jié)果，但測量結(jié)果需要通過另一個實驗來確認，然后才能完全解釋。”
W玻色子是負責(zé)傳遞弱核力的基本粒子，它負責(zé)使太陽發(fā)光和粒子衰變的核過程。利用費米實驗室的Tevatron對撞機產(chǎn)生的高能粒子碰撞，CDF合作項目收集了1985年至2011年間包含W玻色子的大量數(shù)據(jù)。
W玻色子的質(zhì)量大約是質(zhì)子質(zhì)量的80倍，或大約80000MeV/c2。20多年來，CDF研究人員一直致力于實現(xiàn)對W玻色子質(zhì)量越來越精確的測量。最新質(zhì)量測量的中心值和不確定度為80433±9MeV/c2。該結(jié)果使用了從費米實驗室Tevatron對撞機收集的整個數(shù)據(jù)集。它基于對420萬個W玻色子者的觀察，大約是2012年發(fā)布的合作分析中使用的數(shù)量的4倍。
“過去40年來，許多對撞機實驗都對W玻色子質(zhì)量進行了測量。”意大利國家核物理研究所的CDF聯(lián)合發(fā)言人喬治·基亞雷利說，“這些都是具有挑戰(zhàn)性的、復(fù)雜的測量，而且它們已經(jīng)達到了很高的精度。我們花了很多年的時間來完成所有的細節(jié)和必要的檢查。這是我們迄今為止最可靠的測量，測量值和預(yù)期值之間的差異仍然存在。”
研究人員還將他們的結(jié)果與使用標準模型對W玻色子質(zhì)量的預(yù)期最佳值80357±6MeV/c2進行了比較。該值基于復(fù)雜的標準模型計算，該計算將W玻色子的質(zhì)量與其他兩個粒子的質(zhì)量的測量值錯綜復(fù)雜地聯(lián)系起來：1995年在費米實驗室Tevatron對撞機中發(fā)現(xiàn)的頂夸克和2012年在歐洲核子研究中心大型強子對撞機中發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。
總編輯圈點：
CDF項目歷經(jīng)了許多年，精確的測量值其實一直隱藏在分析儀中，直到項目得到全面審查，科學(xué)家才將這個驚喜結(jié)果帶到世人面前。這一結(jié)果對測試標準模型的準確性作出了重要貢獻，理論物理學(xué)界和其他實驗也都將跟進并繼續(xù)闡明這個問題，如果實驗值和預(yù)期值之間的差異真的是由于某種新的粒子或亞原子相互作用造成的，那么它終歸有一天會被發(fā)現(xiàn)。(作者:張夢然)
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